Геометрическое сравнение классических радиаторов

До широкого внедрения систем охлаждения с тепловыми трубками основными вариантами радиаторов были обычные E-образные экструдированные алюминиевые профили (характерный пример - Intel Box Cooler for Northwood), наборы из тонких пластин в виде веера (Zalman CNPS-3100) или даже блюдца (Zalman CNPS-7000) и звездообразные (Intel Box Cooler for Prescott/Conroe/more modern), плюс изредка попадались плотные "заборы" из медных пластин (обычно в 1-2U). Хотелось бы научится сравнить их "на пальцах", не прибегая ни к тестам, ни к полномасштабному моделированию тепломассопереноса.

Введем характеристику (назовем ее, например, "парусность") как p=S³/V². Она обладает парой полезных свойств: она не зависит от размеров и линейна по элементам. То есть, увеличив пропроционально некий объект, мы не изменим его парусность, однако взяв два одинаковых объекта, парусность удвоим (можно было бы взять pp=p^1/6=S^^½/V^⅓, она была бы ближе к 1, но не обладала бы вторым свойством).

Можно сказать, что парусность может коррелировать с отношением производительность/цена, так как площадь поверхности определяет тепловое сопротивление на участке радиатор-воздух (поток воздуха примерно одинаков и опредеяется акустическим комфортом), а в стоимости заметна доля металла. Понятно, что такой интерпретации отвечает приближение "теплопроводность металла = бесконечность, теплопроводность воздуха = 0, теплоемкость воздуха << скорость потока * любой характерный размер". Понятно, что это не очень хорошо на очень тонких-плотных ребрах, да и для теплотрубок, в сравнении с чистым металлом, - тоже.

В таблице приведены значения этого параметра для описываемых радиаторов и пары простейших фигур. Он минимален у шара (=36*Pi), невелик у куба (=6³=216) и, например, позволяет оценить, какая из звезд острее, а при каких радиусах тор компактнее. Также упомянута для сравнения и обычная механическая деталь (Retention Module for 939). В таблице заодно указан коэффициент использования объема (заполненность).

Вне конкурса выступают (виртуальные) E-образные радиаторы:
GoodUniCooler - нарисованная мной конструкция, универсальная для Socket478, Socket939 и Socket423, под вентилятор 80х80
LowCostK8 и HighPerfomanceK8 - референсные радиаторы для K8. Первый - под 60х60 вентилятор, а второй имеет слишком тонкие ребра, да и IRL K8 Box выглядит иначе.

А еще полуклассическая GlacialTech Turbine4500, которая хоть и несет тепловые трубки, является логическим завершением E-образного направления радиаторостроения. В принципе, ее парусность надо увеличить для учета работы тепловых трубок, отводящих тепло к верхнему основанию, однако на сколько - неясно (если бы эффективность трубок была бы бесконечна, то вдвое). Максимальная скорость воздуха (на периферии вентилятора) - у самого горячего места радиатора (основания ребер).

Несколько звездообразных профилей показывают, каких параметров можно добится в данном направлении (Также добавил пару своих рисунков). И хоть поверхность и парусность достигают заметных высот, в данном формате преобладают дешевые изделия. Это связано не только с засилием суперкулеров, но и с не очень удачными (по сравнению, например, с 478) KOZ-ами 775/1155 для простейшей технологии (экструдирвание-нарезка). Например, дешевый GlacialTech A200-3B, органично несущий отверстия для вентилятора 80х80 (очень близкие к отверстиям 775!) выпускается для AM2 c внешним (не использующим форму радиатора) пружинным креплением.

Ну и как дань истории и "младшим братьям" процессорных систем охлаждения приведены старые и северномостовые-видеокартные радиаторы. Как страшный кошмар радиальной продувки можно сравнить Intel Box of Pentium/Pentium MMX и Thermaltake Golden Orb: первый в ~10 раз меньше, а по площади поверхности уступает всего в ~4 раза - маленький и изящный. Видимо, первый не слишком устраивал производителя по технологичности, и для Mendocino был выбран обрезок E-профиля, хотя хитро обхватывающий ребрами вентилятор радиатор подобного строения являлся и частью Intel Box SECC1, и, чуть подросший, стал Intel Box for Pentium Pro, и даже встречался на Socket370. Разгадка, видимо, в цене - последние предназначены не в низший сегмент.

Плотные и тонкие пластины могут дать высокую парусность, не дав малого теплового сопротивления, это видно из сравнения Titan TTC-Cu9TB и Titan TTC-D5TB - в тестах обычно второй впереди, и списывать это на одно высокое ГДС и пайку нельзя - ведь у похожего паянного радиатора 771 for 2U пластины вдвое (sic!) толще.

Для наборных можно сразу заметить, что путь от CNPS-3100 к CNPS-7000 банально экстенсивный: при росте объема на 85% площадь поверхности выросла всего на 75%. В заслугу "блюдцу" можно поставить разве что вентилятор, не выступающий за объем радиатора. В целом рост поверхности и парусности не впечатляет. Совсем иначе дело обстоит на переходе от E- к звездообразному радиатору Box-овых Intel-ов. Рост поверхности 37%, а парусности - в 13 раз, и это - при уменьшении высоты! Более того, "средняя образующая" превысила данный параметр у "веера". Если бы данный радиатор имел бы габарит "блюдца", он бы превзошел его по площади поверхности и достиг по парусности. Решение совместить направления экструдирования (в производстве) и потока воздуха (в эксплуатации) дало не только толстый сердечник, но и катастрофический рост парусности при сохранении простоты производства.

Кстати, о технологичности, ведь это тоже вклад в цену. "Блюдце" и "веер" - это набор тонких штампованных пластин, которые стягивают болтами (возможно, под прессом), а затем еще и фрезеруют днище собранного пакета. Звездообразную конструкцию изготавливают также, как и E-образную - экструдированием алюминия, потом в полученную заготовку запрессовывают сердечник с надетой пластиной-клипсой и готово. Из таблицы видно, кстати, где была побеждена Turbine4500: на металлоемкости - выступая в тестах на равных с "блюдцем" (частично - благодаря опять же соосности экструдирования и воздуха), она имела парусность втрое ниже "звездочки". В реальности производительность Intel Box for Prescott cмогла преодолеть этот самый Prescott, да и факт того, что она живет и поныне, сменив 4 сокета и не изменившись нисколечко...

Видно естественное разбиение кулеров на группы по парусности:

• до 100k - E-образные экструдированные алюминиевые профили "до K7"-ых времен (первого поколения)
• около 100k - E-образные экструдированные алюминиевые профили времен "70-80W" (полуторного поколения)
• от примерно полумиллиона до полутора - звездообразные экструдированные алюминиевые профили (второго поколения)
• миллионы - высокоГДСные конструкции для U-серверов, паянные/собранные из тонких медных пластин
• десятки миллионов - наборные изделия и суперкулеры